Универсальные микропроцессоры предназначены для решения задач цифровой обработки различного типа информации от инженерных расчетов до работы с базами данных, не связанных жесткими ограничениями навремя выполнения задания. Этот класс микропроцессоров наиболее широко известен. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium фирмы Intel и МП семейства Athlon фирмы AMD. Характеристики универсальных микропроцессоров: разрядность: определяется максимальной разрядностью целочисленных данных, обрабатываемых за 1 такт, то есть фактически разрядностью арифметико-логического устройства (АЛУ); виды и форматы обрабатываемых данных;
система команд, режимы адресации операндов; емкость прямо адресуемой оперативной памяти: определяется разрядностью шины адреса; частота внешней синхронизации. Для частоты синхронизации обычно указывается ее максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, к которым относятся и микропроцессоры, иногда указывают также минимально возможную частоту синхронизации. Уменьшение частоты ниже этого предела может привести к отказу схемы. В то же время в тех применениях МП, где не требуется высокое быстродействие, снижение частоты синхронизации — одно из направлений энергосбережения. В ряде современных микропроцессоров при уменьшении частоты он переходит в <спящий режим>, при котором сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнить производительность микропроцессоров. Но разные архитектурные решения влияют на производительность гораздо больше, чем частота; производительность: определяется с помощью специальных тестов, при этом совокупность тестов подбирается таким образом, чтобы они по возможности покрывали различные характеристики микроархитектуры процессоров, влияющие на производительность.
Специализированные
Существующие в настоящее время специализированные МП можно условно разделить на нижеприведенные группы:
1) функционально-ориентированные МП, предназначенные для реализации тех или иных функций;
2) векторные и матричные процессоры, обеспечивающие параллельное выполнение операций над регулярными (однородными) структурами данных;
3) МП, поддерживающие тот или иной язык программирования (возможно, параллельный).
Первые две группы специализированные МП используются главным образом в качестве сопроцессоров. Приборы же третьей группы могут применяться как в качестве сопроцессоров, так и в роли основных процессоров специализированных микроЭВМ.
Среди функционально-ориентированных МП выделяют:
- математические процессоры;
- графические процессоры;
- процессоры для поддержки без данных;
- процессоры для ПУ и адаптеров.
Наибольшее распространение получили математические специализированные МП и особенно – приборы для выполнения операций над вещественными числами, используемые в качестве сопроцессоров плавающей точки. Сведения об основных математических специализированных МП представлена в табл. 2.2. Эти приборы позволяют существенно (в несколько десятков раз) снизить время выполнения операций, на которые они ориентированы.
Таблица 2.2
Основные математические специализированные мп
Модель основного МП |
Математические МП: фирма, модель |
8086/88 |
Intel, 8087 |
80286 |
Intel, 8087; Intel, 80287; Integrated Information Technology (ITT-США),2C87; Zaiaz (США), плата933 Computer Engine |
80386 |
Intel, 80287; Intel, 80387; ITT, 2C87; ITT, 3C87; Weitek (США), Abacus 3167; Togai InfraLogik (США), FC110 |
80386SX |
Intel, 80287; Intel, 80387SX |
80486 |
Weitek, Abacus 4167 |
80486SX |
Intel, 80487; Weitek, Abacus 4167 |
MC68020 |
Motorola, MC68881; Weitek, Abacus 3168 |
MC68030 |
Motorola, MC68882; Weitek, Abacus 3168 |
WE32100 |
AT&T, WE32106 |
Перечисленные в этой таблице сопроцессоры фирм Intel, Weitek, Integrated Information Technology (ITT) и AT&T служат для поддержки арифметики с плавающей точкой. Данные приборы характеризуются различными функциональными возможностями, быстродействием и стоимостью. Сопроцессоры фирмы Weitek дополняют соответствующие сопроцессоры фирмы Intel и Motorola и могут работать во взаимодействии с ними. Следует отметить, что сопроцессоры Abacus функционируют в 1,7 – 4 раза быстрее аналогичных изделий фирмы Intel. Серьёзный вызов фирме Intel сделала и созданная в 1987 г. компания ITT, выпустив совместимые с МП 80287 и 80387 изделия 2С87 и 3С87 той же стоимости, но большим в 2 раза быстродействием на тех же тактовых частотах. Плата 933 Computer Engineсодержит 30-МГц RISC-процессор Clipper фирмы Fairchield Semiconductor и ОЗУ ёмкостью 4 – 32 Мбайт. Она обеспечивает быстродействие 5 млн. команда/с и 1,5 MFLOPS. Широкое распространение получили сопроцессоры фирм Intel, Motorola и Weitek. Несмотря на то, что МП 80486 оперирует с вещественными числами, компания Weitek всё же предложила для него математический сопроцессор, который обеспечивает повышение быстродействия в 5 – 6раз.
Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированныймикропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).
ЦСП обработки видео из картриджа приставкиNintendo
Установленный на поверхность печатной платы современный ЦСП с BGA выводами
Содержание [показать] |
[править]Особенности архитектуры
Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами настольных компьютеров, имеет некоторые особенности:
Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило модифицированная;
Большинство сигнальных процессоров имеют встроенную оперативную память, из которой может осуществляться выборка нескольких машинных слов одновременно. Нередко встроено сразу несколько видов оперативной памяти, например, в силу Гарвардской архитектуры бывает отдельная память для инструкций и отдельная — для данных.
Некоторые сигнальные процессоры обладают одним или даже несколькими встроенными постоянными запоминающими устройствами с наиболее употребительными подпрограммами, таблицами и т. п.
Аппаратное ускорение сложных вычислительных инструкций, то есть быстрое выполнение операций, характерных для цифровой обработки сигналов, например, операция «умножение с накоплением» (MAC) (Y := X + A × B) обычно исполняется за один такт.
«Бесплатные» по времени циклы с заранее известной длиной. Поддержка векторно-конвейерной обработки с помощью генераторов адресных последовательностей.
Детерминированная работа с известными временами выполнения команд, что позволяет выполнять планирование работы вреальном времени.
Сравнительно небольшая длина конвейера, так что незапланированные условные переходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах.
Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов. Некоторые архитектуры используют VLIW.
По сравнению с микроконтроллерами, ограниченный набор периферийных устройств — впрочем, существуют «переходные» чипы, сочетающие в себе свойства DSP и широкую периферию микроконтроллеров.
[править]Области применения
Коммуникационное оборудование:
Уплотнение каналов передачи данных;
Кодирование аудио- и видеопотоков;
Системы гидро- и радиолокации;
Распознавание речи и изображений;
Речевые и музыкальные синтезаторы;
Анализаторы спектра;
Управление технологическими процессами;
Другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.
Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.
Описание
При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.
Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.
Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:
универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
компараторы;
широтно-импульсные модуляторы;
таймеры;
контроллеры бесколлекторных двигателей;
контроллеры дисплеев и клавиатур;
радиочастотные приемники и передатчики;
массивы встроенной флеш-памяти;
встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;
Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возожность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.
Применение
Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:
в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;
электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;
В промышленности:
устройств промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
систем управления станками
В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.
[править]Программирование
Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Известные компиляторы Си для МК: